借助直角玻璃管的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

法浩 李德前

摘要： 在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助直角玻璃管改進(jìn)、設(shè)計(jì)“加熱火柴頭”“吸熱反應(yīng)”“氣體燃燒”等實(shí)驗(yàn)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作簡便、現(xiàn)象直觀、生動有趣，可以充實(shí)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞： 直角玻璃管; 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新; 加熱火柴頭; 吸熱反應(yīng); 氣體燃燒

文章編號： 10056629（2020）10006804

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

直角玻璃管是徐州市化學(xué)名師工作室開發(fā)出來的一種簡單儀器（見圖1），將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效顯著[1， 2]。最近，我們以直角玻璃管為主要儀器，應(yīng)用創(chuàng)新技法[3]，又陸續(xù)開發(fā)出“加熱火柴頭”“吸熱反應(yīng)”“氣體燃燒”三個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 “加熱火柴頭”實(shí)驗(yàn)

為了說明化學(xué)變化伴隨能量的釋放，初中化學(xué)教科書中編排了“加熱試管中的火柴頭”實(shí)驗(yàn)[4]（裝置見圖2）。該實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性及不穩(wěn)定性，致使不少操作者（尤其是女教師）在加熱火柴頭時(shí)內(nèi)心膽怯。我們利用比較細(xì)的直角玻璃管做此實(shí)驗(yàn)，不僅放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且實(shí)驗(yàn)非常安全。

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

6mm×150mm×150mm的直角玻璃管、酒精燈、鐵架臺、大頭火柴（賓館里配備的那種）

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖3[5]（夾持儀器略）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根6mm×150mm×150mm的直角玻璃管，再找三根大頭火柴（其中一根僅取火柴頭）。

（2） 保持直角玻璃管的直角向下，先將一粒火柴頭放入直角玻璃管的直角處，再將另外兩根火柴分別放在火柴頭的兩邊（頭向下緊挨著中間的火柴頭）。

（3） 將實(shí)驗(yàn)裝置固定在鐵架臺上。

（4） 用酒精燈外焰對準(zhǔn)火柴頭加熱，大約3～5s，三個(gè)火柴頭同時(shí)“嗤”的一聲爆燃起來，緊接著兩根火柴以相反的方向同時(shí)飛向空中，并劃出兩道明亮的拋物線，落向遠(yuǎn)處。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分說明，化學(xué)反應(yīng)有時(shí)伴隨著能量的釋放（涉及的放熱反應(yīng)主要有2Sb2S3+11O2點(diǎn)燃2Sb2O5+6SO2、 2KClO3二氧化錳△2KCl+3O2↑、 S+O2點(diǎn)燃SO2等[6]）。

（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

1.4 幾點(diǎn)說明

（1） 本實(shí)驗(yàn)中的兩根火柴如果完全相同，則同時(shí)爆燃，同步飛出，出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)可以形象地描述為“比翼雙飛”。如果兩根火柴先后爆燃，稍有時(shí)間差的飛出，則可以將該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形象地描述為“爭先恐后”，從而增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的人文性。

（2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要提醒學(xué)生“專業(yè)演示，勿擅自模仿”，并告誡學(xué)生如果在課外時(shí)間做此實(shí)驗(yàn)，一定要有成年人陪同。

（3） 選用的玻璃管不要太粗（外徑略大于火柴梗直徑即可），以免爆燃時(shí)產(chǎn)生的氣壓不足[7]。

（4） 玻璃管內(nèi)的火柴頭爆燃后，極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了高壓熱氣流，因此為確保安全，最好使用硬質(zhì)玻璃管。

（5） 若要增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，可以在光線昏暗的環(huán)境里（如關(guān)閉教室燈光或拉上教室窗簾）演示該實(shí)驗(yàn)，從而更加清晰地觀察到兩根火柴在空中的飛行軌跡（宛如兩顆流星從空中飛過）。

1.5 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

（1） 雖然本實(shí)驗(yàn)是在細(xì)玻璃管內(nèi)做的，但現(xiàn)象卻被“放大”了，而且操作安全、趣味性強(qiáng)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心。

（2） 本實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生直觀地感受到化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量的釋放，并認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值。

（3） 本實(shí)驗(yàn)裝置還可用于初中化學(xué)“爆炸原理”的教學(xué)，或作為初中物理“內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 “吸熱反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)

普通高中化學(xué)教科書在“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”的教學(xué)中編排了“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體反應(yīng)”的探究活動，借以說明化學(xué)反應(yīng)可以伴隨著熱量的吸收[8]。該實(shí)驗(yàn)雖然操作簡單，但存在藥品用量大、對環(huán)境不夠友好、結(jié)冰不易實(shí)現(xiàn)等弊端。我們利用直角玻璃管、銅絲和小氣球等實(shí)驗(yàn)用品，對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的改進(jìn)與優(yōu)化。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

18mm×160mm×160mm直角玻璃管、配套的橡皮塞、3mm×300mm銅絲、小氣球、脫脂棉等;氫氧化鋇晶體、氯化銨晶體、酚酞溶液、蒸餾水、10%的稀硫酸等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根18mm×160mm×160mm的直角玻璃管，準(zhǔn)備一個(gè)與玻璃管口徑相匹配的橡皮塞。借助大頭針，在橡皮塞反面固定一團(tuán)脫脂棉，并在脫脂棉上滴加適量的酚酞溶液。

（2） 找一根3mm×300mm的銅導(dǎo)線，剝?nèi)ネ鈱拥慕^緣皮。將銅絲的下端彎成一個(gè)圓圈，并使圓圈的直徑約為玻璃管外徑的4/5。把銅絲的上端彎成一個(gè)半弧形狀，作為銅質(zhì)攪拌器的把手（同時(shí)防止銅絲頂端捅破小氣球）。

（3） 保持直角玻璃管的直角向下，在玻璃管的直角處先滴入幾滴蒸餾水[9]，再先后加入2g氫氧化鋇晶體、1g氯化銨晶體，然后按圖4所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置。

（4） 左手拿著直角玻璃管的左支管，右手隔著小氣球拿著金屬攪拌器的把手，先稍稍用力將銅絲下端的圓圈壓入固體中，然后輕輕地反復(fù)推拉攪拌器，從而帶動銅絲下端的圓圈不停地?cái)噭庸腆w混合物。大約攪動30s，即可觀察到固體變?yōu)楹隣睿撝耷蚝芸熳優(yōu)榧t色，說明該反應(yīng)生成氨氣，有關(guān)的化學(xué)方程式是Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O;繼續(xù)攪動混合物60～70s，促使氫氧化鋇與氯化銨充分反應(yīng)，此時(shí)操作者的左手明顯地感覺到玻璃管變涼，說明該反應(yīng)吸熱。

（5） 停止攪動后，邀請更多的學(xué)生依次觸摸玻璃管外壁，以切身感知反應(yīng)特征。

（6） 接下來通過注射器（針頭扎入小氣球）將適量的稀硫酸一次性推入直角玻璃管內(nèi)。拔出注射器針頭，充分振蕩玻璃管內(nèi)的混合物，以吸收多余的氨氣[有關(guān)的化學(xué)方程式是2NH3+H2SO4（NH4）2SO4]，并將BaCl2中的Ba2+沉淀下來[10]（有關(guān)的化學(xué)方程式是BaCl2+H2SO4BaSO4↓+2HCl）。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

2.4 幾點(diǎn)說明

（1） 氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體反應(yīng)吸熱明顯，用手觸摸玻璃管的外壁去感知反應(yīng)吸熱，不僅簡單實(shí)用，而且有利于學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動，提升學(xué)習(xí)熱情。

（2） 向直角玻璃管內(nèi)滴加少許蒸餾水，可以加速氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體的反應(yīng)。

（3） 本實(shí)驗(yàn)裝置小巧，完全可以手持操作，不需要固定在鐵架臺上。

2.5 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

（1） 本實(shí)驗(yàn)使用直角玻璃管作為反應(yīng)容器，節(jié)省藥品，體現(xiàn)了基礎(chǔ)教育化學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)在封閉體系里進(jìn)行，并對實(shí)驗(yàn)廢液和廢氣進(jìn)行初步處理，體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念。

（2） 實(shí)驗(yàn)裝置簡約可靠，實(shí)驗(yàn)操作較為簡便，實(shí)驗(yàn)用品常規(guī)易得且用量少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀，既可作為教師演示實(shí)驗(yàn)，也適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和課外探究活動。

3 “氣體燃燒”實(shí)驗(yàn)

在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多處涉及氣體的燃燒實(shí)驗(yàn)。可燃性氣體在燃燒時(shí)存在安全隱患，因此在點(diǎn)燃之前需要檢驗(yàn)燃?xì)獾募兌龋幢闳绱耍ㄊ鹿室矔r(shí)有發(fā)生。我們借助盛水（或塞有細(xì)銅絲）的直角玻璃管進(jìn)行氣體燃燒實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

10mm×100mm×100mm的直角玻璃管（兩端斜口）、配套的單孔橡皮塞、細(xì)導(dǎo)管、細(xì)銅絲、自來水;可燃性氣體（如氫氣、甲烷或一氧化碳等）

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖5、圖6[11]。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1） 取一根10mm×100mm×100mm的直角玻璃管，保持直角向下，向其中注入適量的自來水（水面略超過上管壁），然后按圖5所示將一個(gè)支管與盛有燃?xì)獾臍饽蚁噙B接。

（2） 輕輕打開盛有燃?xì)獾臍饽倚蛑苯遣ＡЧ苤芯従彽爻掷m(xù)通氣。3～4s后，用燃著的火柴在玻璃管口處點(diǎn)燃，如果玻璃管內(nèi)出現(xiàn)回火、產(chǎn)生爆鳴，說明氣體不純。不過，由于直角玻璃管內(nèi)水的冷卻及阻隔作用，回火瞬間熄滅，爆炸在可控的小范圍內(nèi)只能發(fā)生一次，絕不會波及氣囊。

（3） 再等5～6s，再次點(diǎn)燃?xì)怏w，觀察到氣體能夠安靜燃燒。接下來，引導(dǎo)學(xué)生觀察火焰顏色、檢驗(yàn)燃燒產(chǎn)物等。

（4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

3.4 幾點(diǎn)說明

（1） 本實(shí)驗(yàn)中的直角玻璃管兩端做成斜口，既方便連接氣囊又有利于燃?xì)馊紵?/p>

（2） 第一次點(diǎn)燃時(shí)可能會發(fā)生爆鳴，因此要提醒學(xué)生做好“有驚無險(xiǎn)”的心理準(zhǔn)備。

（3） 為了防止普通玻璃中鈉元素對氣體燃燒時(shí)火焰顏色的干擾，本實(shí)驗(yàn)最好選用石英材質(zhì)的玻璃管。

（4） 直角玻璃管中的水若過少，就不能隔斷氫氣爆炸時(shí)的火苗;若過多，水極易被氣流沖出玻璃管。另外，通入燃?xì)獾乃俾室惨{(diào)控得恰到好處，若過快，容易將水沖出玻璃管;若過慢，燃燒不連續(xù)，而且容易發(fā)生回火和爆炸。

（5） 也可用細(xì)銅絲代替水（將足量的細(xì)銅絲塞入到直角玻璃管的直角處），按圖6連接好實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.5 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

（1） 該裝置具有燃?xì)怛?yàn)純、防爆的作用，能有效避免氣體燃燒時(shí)的爆炸隱患;適用于各種可燃性氣體的驗(yàn)純、燃燒、爆鳴等一系列實(shí)驗(yàn)，而且操作簡單，可視性強(qiáng)，方便學(xué)生開展有關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究活動。

（2） 使用該裝置時(shí)，不需要刻意對氣體進(jìn)行驗(yàn)純[12]，在通入可燃性氣體后就可以放心點(diǎn)燃，若發(fā)生回火和爆鳴，就相當(dāng)于演示氣體的爆炸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證了燃?xì)獾募兌?若燃?xì)饽軌虬察o燃燒，則相當(dāng)于直接進(jìn)行氣體的燃燒實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也包含了燃?xì)獾尿?yàn)純操作。

4 結(jié)語

直角玻璃管簡單易制，用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)則操作簡便，特別方便學(xué)生開展探究活動。借助直角玻璃管進(jìn)行多種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，拓寬了素質(zhì)教育的渠道，有利于學(xué)生獲取知識、發(fā)散思維、提升能力。作為一種“小而美”的實(shí)驗(yàn)儀器，其“一器多用”的性能也使實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為薄弱學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開設(shè)更多實(shí)驗(yàn)或課外探究活動不再勉為其難[13]。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑤， 李德前， 李為才. 巧用直角玻璃管改進(jìn)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （5）： 78～81.

[2]宋廣良， 李德前， 凌一洲. 直角玻璃管和廣口瓶組合而成的多功能實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （3）： 68～71.

[3]李德前. 例談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的思維方法[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2013， （3）： 65～68.

[4]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級上冊）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2008： 13.

[5]姚亞輝， 秦瑤. 基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的政治課跨學(xué)科實(shí)踐活動——以七年級《道德與法治》中“享受學(xué)習(xí)”內(nèi)容為例[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2019， （18）： 57～59.

[6]王永臻， 魏海， 李德前. 檢驗(yàn)二氧化硫?qū)嶒?yàn)的組合設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （2）： 72～74.

[7]張玲. 火柴頭爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教育， 2009， （10）： 67.

[8]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2017： 35.

[9]梁勝金. 吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （11）： 82～83， 91.

[10]齊俊林. 吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 教育與裝備研究， 2018， （7）： 77～79.

[11]任有良， 石啟英， 王彩珍. 可燃性氣體實(shí)驗(yàn)中的防爆[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報(bào)， 1999， （2）： 76～78.

[12]李德前， 魏海， 甘磊等. 借助長柄U形玻璃管改進(jìn)氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （9）： 75～79.

[13]井延濤. 借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （8）： 85～88.